Effects of Nitrogen Reduction Combined with Organic Fertilizer on Growth and Physiological Characteristics of Foxtail Millet at Seedling Stage
Liu Yizhou1,2,Qin Ling2,Yang Yanbing2,Li Feifei2, Zhang Huidi2, Zhang Mengyuan2,Chen Erying2,Guan Yan'an1,2 (1. College of Agriculture, Ludong University, Yantai 2640O4, China; 2. Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences/Shandong Engineering Laboratory of Featured Crops, Jinnan 250100,China)
AbstractThe experiment adopted a two-factor randomized block design with nitrogen fertilizer and organic fertilizer as the factors.A total of 1O treatments were set with inorganic nitrogen fertilizer as no nitrogen application (O),conventional nitrogen application ( 150kg/hm2 of pure nitrogen, CK), 15% nitrogen reduction ( 127.5kg/hm2 )and 30% nitrogen reduction ( 105kg/hm2 ),and two levels of organic fertilizer at 1 500 kg/hm2 and . The effects of diferent nitrogen reduction combined with organic fertilizer application treatments on the growth,development and physiological characteristics of foxtail millet at seedling stage were studied.The results showed that compared with no nitrogen application treatment,each fertilizer treatment improved dry mater accumulation,root length,root surface area as wellas root volume and activities of leaf nitrogen metabolism enzymes and antioxidant enzymes at seedling stage to varying degrees,among which, 15% nitrogen reduction combined with 3000kg/hm2 organic fertilizer treatment had the most significant effects.Compared with CK,the dry matter accumulation and roo development of foxtail milet in treatment of (204號(hào) 1500kg/hm2 organic fertilizer under normal nitrogen fertilization were significantly improved,and the activities of antioxidant enzymes and nitrogen metabolic enzymes at seedling stage were also improved to a certain extent; many indexes at seedling stage of 15% and 30% nitrogen reduction treatments were decreased to varying degrees,but the growth and development offoxtail milet at seedling stage were improved by diffrent degrees under the condition of 15% nitrogen reduction combined with different amounts of organic fertilizer,and the best effect occurred when combined with 3000kg/hm2 orgnic fertilizer. Under the condition of 30% nitrogen reduction,there was no significant difference between the treatments combined with different amounts of organic fertilizer and the treatment of only 3000kg/hm2 of organic fertilizer. To sum up,under the conditions of this experiment, the treatment of 3000kg/hm2 of organic fertilizer combination with 15% nitrogen reduction based on conventional nitrogen application was the optimal fertilization treatment.
KeywordsFoxtail millet;Nitrogen fertilizer;Organic fertilizer; Seedling stage;Root;Physiologicalcharacteristics
谷子(SetariaitalicaL.Beauv)古稱(chēng)粟,是起源于中國(guó)的傳統(tǒng)糧食作物,為雜糧之首,具有抗旱耐瘠薄、水肥高效、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),主要分布在我國(guó)北方干旱和半干旱地區(qū),常年種植面積保持在120.0萬(wàn)\~150.0萬(wàn)hm2[1-2] 。
施肥特別是施用氮肥是提高作物產(chǎn)量的重要手段[3]。目前我國(guó)是世界上化肥用量最多的國(guó)家,氮肥施用量是世界平均水平的2.6倍,但利用效率并不高[4]。氮肥的過(guò)量施用不僅降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì),還會(huì)導(dǎo)致土壤酸化,破壞生態(tài)環(huán)境,阻礙農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-7]。因此,如何控制氮肥用量,提高氮肥的利用效率是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題
有機(jī)肥含有多種有機(jī)酸、肽類(lèi)以及氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供全面的營(yíng)養(yǎng),并且具有長(zhǎng)效肥效,有助于增加和更新土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)土壤微生物的繁殖,改善土壤理化性質(zhì)和生物活性[8]。有機(jī)肥的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放緩慢,有機(jī)肥替代部分氮肥,有利于作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累,促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高產(chǎn)量,降低硝酸鹽的釋放。王帥等[10]研究表明,生物有機(jī)肥替代部分化肥可以有效改善施用高量化肥帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題。陳鑫等[11]研究表明,常規(guī)施氮配施部分有機(jī)肥可以提高玉米產(chǎn)量并且增加籽粒中的淀粉和蛋白質(zhì)含量。董倩楠等[12研究表明,減少部分氮肥施用量并施加生物有機(jī)肥有利于產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。白國(guó)瑞[13]研究表明,生物有機(jī)肥替代部分氮肥,夏玉米和冬小麥產(chǎn)量均有所提升,并且土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量也有明顯提升。大量研究表明有機(jī)肥替代部分氮肥可以有效提高玉米、水稻、小麥等作物的產(chǎn)量及品質(zhì),但在谷子上的相關(guān)研究報(bào)道較少。谷子苗期作為全生育周期的關(guān)鍵階段,其氮肥管理直接影響植株健壯度與產(chǎn)量潛力[14]。本試驗(yàn)以濟(jì)谷22為材料,研究減氮配施有機(jī)肥對(duì)苗期谷子生長(zhǎng)發(fā)育及葉片生理生化特性的影響,探索谷子適宜的施肥模式,以期為谷子的綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)
1材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)于2022年6—10月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所濟(jì)南試驗(yàn)基地開(kāi)展。供試谷子品種為濟(jì)谷22,由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育而成。
試驗(yàn)所用氮肥為尿素( N46% ),鉀肥為氯化鉀( K2O60% ),磷肥為過(guò)磷酸鈣( ,有機(jī)肥采用商品生物有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)含量 ≥40% ,N2.0% ,
,有效活菌數(shù) ?2.0 億個(gè) ??/g ),由濰坊市綠旺達(dá)生物肥料科技有限公司生產(chǎn)提供。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置氮肥和有機(jī)肥兩個(gè)因素,以常規(guī)施氮(CK)及不施氮肥( N0 )為對(duì)照,在常規(guī)施氮基礎(chǔ)上分別減 15%.30% ,有機(jī)肥用量分為 1500,3000kg/hm2 兩個(gè)水平,共組合為10個(gè)處理,具體試驗(yàn)處理施肥量見(jiàn)表1。隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次,小區(qū)面積 20m2(4m× 5m )。種植行距 0.5m ,留苗密度 60 萬(wàn)株 ?hm2 0除 N8 (純有機(jī)肥)處理外,其他處理磷鉀肥用量一致,施肥量為 P2O5 ! K2 0 67.5kg/hm2 。上述所有處理的氮肥 50% 基施, 50% 追施(孕穗初期,幼苗12葉),有機(jī)肥與磷鉀肥全部基施。
1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法
1.3.1苗期谷子干物質(zhì)積累和根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定于谷子苗期(6片葉,下同)每處理取有代表性植株10株,按地上部和根分樣。用根系掃描儀(WinRHIZO根系分析系統(tǒng))對(duì)處理干凈的根系進(jìn)行掃描,獲取根系數(shù)據(jù)后,將地上部及根系放入烘箱 105°C 殺青 30min ,然后 80°C 烘干至恒重,稱(chēng)量各器官樣品干物質(zhì)重量。
1.3.2谷子葉片生化指標(biāo)測(cè)定 于谷子苗期每處理選有代表性植株5株,取最上部展開(kāi)葉,立即液氮冷凍,隨后貯藏于 -80°C 超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩_^(guò)氧化氫酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量、硝酸還原酶(NR)活性、谷氨酰胺合成酶(GS)活性均采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒檢測(cè)
1.4 數(shù)據(jù)處理與分析
采用MicrosoftExcel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖,采用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(OneWayANOVA)比較處理間的差異顯著性( Plt;0.05 )。
2 結(jié)果與分析
2.1 減氮配施有機(jī)肥對(duì)苗期谷子干物質(zhì)積累的 影響
由圖1可知,與 N0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部和根系干物質(zhì)積累量,增幅為 3.30%~111.24% 和 3.10%~116.21% ,其中以 N4 處理最為顯著,地上部與根系干重分別提高 111.24% 和 116.21% 。與常規(guī)施氮(CK)相比, CK+ 有機(jī)肥 1500kg/hm2 的 N1 處理苗期谷子(地上部和根系)干物質(zhì)積累量顯著提升,減氮15% 和減氮 30% 的 N2 和 N5 處理苗期谷子地上部干物質(zhì)積累量有不同程度降低,但在減氮 15% 條件下并配施不同量有機(jī)肥的 N3,N4 處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部和根系干物質(zhì)積累量。減氮 30% 條件下增施不同量有機(jī)肥的 N6,N7 處理和僅施有機(jī)肥的 N8 處理苗期地上部干物質(zhì)量均顯著低于常規(guī)施氮對(duì)照
2.2 減氮配施有機(jī)肥對(duì)苗期谷子根系形態(tài)的影響
由圖2和圖3可知,與 N0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了谷子根系長(zhǎng)度、根表面積及根系體積,其中以 N4 處理提高幅度最大,根系長(zhǎng)度、根表面積和根系體積分別提升 43.52% !14.06% 和 70.00% 。與CK相比, N1 處理促進(jìn)了苗期谷子根系長(zhǎng)度、根表面積和根系體積的增長(zhǎng),其中僅根系體積增長(zhǎng)達(dá)顯著水平; N2 和 N5 處理苗期谷子根系長(zhǎng)度和根系體積顯著降低,但在減氮15% 條件下配施不同用量有機(jī)肥的 N3?N4 處理均不同程度地促進(jìn)了苗期谷子根系的生長(zhǎng)發(fā)育;減氮 30% 條件下增施不同用量有機(jī)肥的 N6,N7 處理和僅施有機(jī)肥的 N8 處理苗期根系各項(xiàng)指標(biāo)與CK差異不顯著
2.3 減氮配施有機(jī)肥對(duì)苗期谷子葉片氮代謝酶 活性的影響
由圖4可知,與 N0 相比,各肥料處理對(duì)苗期谷子葉片氮代謝酶活性均有不同程度的提高,且差異均達(dá)顯著水平。其中以 ΔN4 處理兩種酶活性最高,GS和NR活性分別提升 11.46% 和 5.41% 。常規(guī)施氮對(duì)照及其他施肥處理間葉片GS和NR活性均無(wú)顯著差異
2.4 減氮配施有機(jī)肥對(duì)苗期谷子葉片丙二醛含量及抗氧化酶活性的影響
由圖5可知,與 N0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性,其中以 N4 處理最為顯著,CAT和SOD活性分別提高34.58% 和 12.09% ,MDA含量降低 9.12% 。與CK相比, N1 處理苗期谷子抗氧化酶活性均有不同程度提升,丙二醛含量有所降低;減氮 15% 的 N2 和減氮 30% 的 N5 處理苗期谷子葉片各抗氧化酶活性有不同程度地降低,丙二醛含量有所增加;但在減氮 15% 條件下配施不同量有機(jī)肥的 N3 和 N4 處理均不同程度地提高了苗期谷子抗氧化酶活性,并使丙二醛含量降低;減氮 30% 條件下增施不同赤# 喬CK N N N NS 羅AN4 N N 1 N用量有機(jī)肥的 N6,N7 處理和僅施有機(jī)肥處理 N8 苗期抗氧化酶活性表現(xiàn)為, N7,N8 處理CAT活性顯著高于CK,SOD 活性與CK差異不顯著, N6 處理CAT活性與CK差異不顯著,SOD活性顯著低于CK。
3討論與結(jié)論
3.1 不同施肥處理對(duì)苗期谷子生長(zhǎng)的影響
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,作物干物質(zhì)的積累量是一個(gè)重要的關(guān)注指標(biāo)。李鑫[15]研究發(fā)現(xiàn),谷子的干物質(zhì)積累和氮素息息相關(guān)。張彪[16]研究表明,用生物有機(jī)肥替代 20% 氮肥時(shí),谷子的干物質(zhì)積累量高于對(duì)照,并隨谷子的發(fā)育進(jìn)程呈增加趨勢(shì)。本試驗(yàn)中,與 ΔN0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子干物質(zhì)積累量;與常規(guī)施氮(CK)相比,在常規(guī)施氮基礎(chǔ)上增施 1500kg/hm2 有機(jī)肥的 ΔN1 處理苗期谷子干物質(zhì)積累量顯著提升;減氮15% 的 N2 和減氮 30% 的 N5 處理苗期谷子地上部干物質(zhì)積累量有不同程度地降低,但在減氮 15% 條件下配施不同用量有機(jī)肥的 N3,N4 處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部干物質(zhì)積累量,說(shuō)明在減氮條件下增施有機(jī)肥,可以有效緩解低氮對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育的脅迫作用,從而增加苗期谷子干物質(zhì)的積累量
3.2 不同施肥處理對(duì)苗期谷子根系指標(biāo)的影響
氮素水平顯著影響根系形態(tài),同時(shí)根系形態(tài)特征也影響氮效率。白瑤[17]研究發(fā)現(xiàn),無(wú)氮素供給時(shí)小麥根系縮小以減少對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)多消耗,將更多的物質(zhì)運(yùn)送到地上部供其生長(zhǎng),所以總根長(zhǎng)和根表面積較施氮處理低,這與本研究結(jié)果相似。本研究表明,與 N0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了谷子根系長(zhǎng)度、根表面積及根系體積,其中以 N4 處理最為顯著。與CK相比,常規(guī)施氮基礎(chǔ)上增施 1500kg/hm2 有機(jī)肥的 N1 處理苗期谷子根系長(zhǎng)度、根表面積和根系體積均有增加,減氮 15% 的 N2 和減氮 30% 的 N5 處理根系形態(tài)指標(biāo)則有不同程度地降低;在減氮 15% 條件下配施不同用量有機(jī)肥的 N3,N4 處理均不同程度地促進(jìn)了苗期谷子根系生長(zhǎng),這說(shuō)明在減氮條件下增施有機(jī)肥可以改善谷子根系的生長(zhǎng)狀況,從而促進(jìn)谷子的生長(zhǎng)發(fā)育。
3.3 不同施肥處理對(duì)苗期谷子生理特性的影響
氮是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要營(yíng)養(yǎng)元素,氮素供給的多少對(duì)作物影響巨大[18]。硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是氮代謝關(guān)鍵酶,其活性大小直接影響氮代謝過(guò)程[19-21]。本試驗(yàn)中,減氮 15% 配施有機(jī)肥 3000kg/hm2 處理葉片氮代謝酶活性較CK有所提升但差異不顯著,這和牛佳紅[22]的研究結(jié)果類(lèi)似,即施肥條件不同對(duì)谷子酶活性的影響在苗期并不顯著,但隨著谷子發(fā)育進(jìn)程呈增加趨勢(shì)。說(shuō)明減氮配施有機(jī)肥不會(huì)明顯影響作物苗期氮素營(yíng)養(yǎng)供給。植株的氮素同化和轉(zhuǎn)運(yùn)能力沒(méi)有明顯變化,進(jìn)而保證了苗期谷子生長(zhǎng)發(fā)育。
SOD、CAT是植物體內(nèi)最常見(jiàn)的抗氧化酶,其活性大小直接影響著作物清除細(xì)胞內(nèi)活性氧的能力,MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物,其含量可以體現(xiàn)出植株的抗逆性[23-24]。本試驗(yàn)中,與N0 相比,各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性。與CK相比,常規(guī)施氮基礎(chǔ)上配施 1500kg/hm2 有機(jī)肥的 N1 處理苗期谷子葉片各抗氧化酶活性均有不同程度提升,丙二醛含量有所降低;減氮 15% 的 N2 和減氮 30% 的N5 處理谷子葉片抗氧化酶活性有不同程度地降低;丙二醛含量有所增加,但在減氮 15% 條件下配施不同用量有機(jī)肥的 N3 和 N4 處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性,并降低了丙二醛含量。這說(shuō)明減氮配施有機(jī)肥通過(guò)提高SOD和CAT活性,降低MDA含量,從而提高谷子葉片的抗氧化能力,保證苗期谷子的抗逆性,進(jìn)而促進(jìn)苗期谷子的生長(zhǎng)發(fā)育。
綜上,與常規(guī)施氮(CK)相比,常規(guī)施氮減量15% 配施有機(jī)肥 3000kg/hm2 處理( N4 )顯著增加了苗期谷子干物質(zhì)積累量,促進(jìn)了谷子根系的伸長(zhǎng)和增粗,保證根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn);明顯提高葉片SOD、CAT活性,顯著降低MDA含量,從而促進(jìn)谷子的生長(zhǎng)發(fā)育;在減氮 15% 條件下未顯著降低葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性,保障了苗期谷子對(duì)氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。本試驗(yàn)條件下,常規(guī)施氮基礎(chǔ)上減量 15% 配施有機(jī)肥 3000kg/hm2 為最佳施肥處理
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